ミックスドシグナルによるウェイク・スリープタイマー制御
At a Glance
ウェイク・スリープタイマーは消費電力の削減に役立ちますが、多数の周辺機器を備えたシステムでは実装が困難です。これを、GreenPAK のカスタム・ミックスドシグナル ASIC を使えば非常に簡単に実現できます。
システムで電力を節約する最も簡単な方法は、すべての周辺機器をシャットダウンすることです。プロセッサコアやロジック回路を停止すると、システムの電源コントローラ以外の待機時電流や静止電流を実質的にゼロまで低減できます。この種の省電力化は、一連のGPIOを用いて自動的に実行でき、組み込みアプリケーションに実装可能です。
これは非常に簡単に実装できる機能のように聞こえるかもしれませんが、実際に必要となる回路や、デバイスのコードベースへの影響はそれほど単純ではない場合があります。多くの場合、消費電力が大きいことが分かっている特定のデバイス、たとえば大規模なマイクロコントローラやFPGAに備わるウェイクスリープ機能に頼ることになります。特にマイクロコントローラでは、こうした機能はより一般的になっており、組み込みシステムを停止するうえで確かに有用です。
しかし、複数のASICで構成されるシステムでは、ウェイクスリープ機能がデバイスに組み込まれていることはまれであり、仮にASICにこの機能が搭載されていたとしても、停止できない周辺機器が他に存在することも少なくありません。そうなると、システムを制御するために複雑なマイクロコントローラ、タイマ、リセット回路を追加することになります。そこで代わりに、GreenPAKのこのアプリケーション例をご覧ください。これにより、任意の論理条件セットに基づいて実装・トリガできるウェイクスリープタイマ機能を実現できます。
ウェイクスリープタイマの動作原理
ウェイクスリープタイマは、集積回路の一部として実装される場合でも、PCB上にカスタム設計される場合でも、基本的に次の2つの機能を実行します。
- ウェイクアップ機能をトリガする信号を取り込む
- 一定時間を超えた後にタイマ動作とシャットダウンシーケンスを実行する
これは一見とても単純に思えますが、必要な回路の一覧を数え上げるとそうでもありません。電源シャットダウンシーケンサ、電源立ち上げシーケンサ、遅延タイマ、ウェイク信号を検出するためのデジタルまたはアナログのフロントエンド、そしてロジック信号のトグルによってシャットダウンを可能にする周辺回路が必要です。これを以下のブロック図にまとめています。
ウェイクスリープタイマの基本ブロック図は、ウェイク信号を取り込むフロントエンド検出段、アクティブ期間をカウントダウンするタイマブロック、周辺機器の電源投入および電源断の順序を制御するシーケンサ、さらに下流デバイスのイネーブル線またはリセット線をアサートする出力ドライバで構成されます。フロントエンドはタイマに接続され、タイムアウト時にシャットダウンシーケンサを起動します。一方、新たなウェイクイベントを受信すると、スタートアップシーケンサが正しい順序で周辺機器を再有効化します。
純粋なデジタル領域では、ウェイク信号は実質的に必要なロジックレベルを持つ1ビットの信号（または複数ビットの信号）であり、ウェイクスリープ回路のフロントエンドロジック回路の入力をアサートします。アナログのウェイク信号の場合は、対象信号専用に設計されたフロントエンドが必要であり、信号の何らかの測定値（振幅、位相、周波数など）をもとに、ウェイク条件が満たされたかどうかを判断します。
ウェイク信号は、ウェイクスリープタイマ内のフロントエンドが対応するよう設計されていれば、実質的にあらゆる種類のソースから供給できます。これにより、デジタル入力とアナログ入力の両方を使ってウェイクスリープタイマのウェイク条件をトリガする、ミックスドシグナルインターフェースを実現する機会が生まれます。
ウェイクスリープタイマでミックスドシグナルは使用できるか？
この問いへの答えは、一般論としてはイエスです。ただし、標準的なウェイクスリープタイマ回路よりも複雑になります。通常、ウェイクスリープタイマは単一のデジタル入力、またはコンパレータでしきい値検出された単一のアナログ入力で動作します。たとえば、これはタッチデバイスやボタンからのインジケータ出力であったり、ある電圧レベルを超えたセンサ出力であったりします。一般には、複数の信号をこの回路のウェイク条件の一部として、単一のフロントエンドインターフェースに統合することも可能です。
ただし、そのためにはウェイクスリープタイマのフロントエンドに追加のロジック処理ブロックが必要です。最も簡単な解決策はロジックゲートで実装する方法であり、アナログ入力信号はコンパレータでデジタル化できます。この用途にマイクロコントローラを使うことも考えられますが、それでは周辺機器やデジタルプロセッサを停止するという、ウェイクスリープタイマ本来の目的に反してしまいます。
ウェイクスリープ信号のミックスドシグナル処理
Renesas GreenPAKのプログラマブル・ミックスドシグナルICは、アナログコンパレータ、ロジックゲート、カウンタ、遅延ブロック、設定可能なI/Oを単一デバイス内に統合しているため、ウェイクスリープタイマの実装に非常に適しています。完全にカスタムなミックスドシグナルインターフェースをウェイクスリープタイマのフロントエンドとして使用すれば、デジタル入力とアナログ入力の両方を同時に受け付けることができます。
たとえば、GreenPAK内部のアナログコンパレータでセンサ電圧を監視しつつ、別のデジタル入力で周辺機器からのロジックレベルイベントを監視できます。これらの信号は、組み合わせたウェイク条件を評価する設定可能なロジックに入力されます。ウェイク条件が満たされると、内部のカウンタおよび遅延ブロックが、外部電源レールやリセット線の電源投入および電源断シーケンスを管理します。
Go Configure開発ツールにより、設計者はミックスドシグナルや、さらにはウェイク機能の一部としてシリアルインターフェースまで組み込める、完全にカスタムなウェイクスリープタイマを開発できます。これらのプログラマブル・ミックスドシグナルプロセッサにより、より小型で効率的なシステムを実現できます。
詳しくは、GreenPAKコンポーネントおよびリファレンス例をご覧ください。
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